우주의 탄생 비밀

137억년 전에 시작된 우주 탄생의 비밀

 

오랜 시간 인류는 우주의 탄생에 관한 비밀을 풀기 위해 노력했습니다. 과학자들은 여러 가지 이론을 제시하며 우주 탄생과 진화의 과정을 설명하고 있고, 과학과 기술이 발전할 수록 여러 가설은 점점 더 구체화되고 있습니다. 우주가 팽창하고 있다는 사실을 토대로 정밀한 관측이 가능하면서 각 가설들은 보완되고 있죠. 우리가 가장 익숙하게 들어 온 빅뱅이론부터 홀로그램 우주론이나 다중 우주론까지 그 이론들을 상상하면 마치 영화 속에서나 볼법한 장면처럼 신비로운데요. 오늘 글에서는 우주 탄생 과정의 다양한 가설을 살펴보고 생각해보는 시간을 갖겠습니다.

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1.빅뱅이론(Big Bang Theory)

대폭발이라는 뜻을 갖고 있는 빅뱅이론은 우주의 기원을 설명하는데 현대에서 가장 유력하게 받아들여지는 이론입니다. 137억 년 전, 매우 뜨겁고 밀도가 높은 하나의 특이점에서 시작된 폭발이 현재까지 팽창 중이라는 건데요. 우리가 존재하는 우주라는 공간과 수천 억개의 별과 행성이 이 폭발로 인해 생겨났음을 의미합니다. 빅뱅이론은 1927년, 벨기에 뢰번 가톨릭 대학교의 조르주 르메르트라는 물리학자에 의해 처음 제시됐습니다. 현재와 달리 당시에는 빅뱅이론이 마치 그리스도교의 천지창조, "빛이 있으라"를 연상케 한다는 이유로 과학계로부터 상당한 저항과 압박을 받았는데요. 또한 빅뱅이론과 반대되는 이론인 정상우주와 팽팽한 대립도 있었습니다. 현재 빅뱅이론은 현재 우주론의 기본틀과 우주의 기원과 진화를 이해하는데 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 빅뱅이론을 뒷받침하는 근거들은 다음과 같습니다.

• 우주배경복사 : 1965년, 아노 펜지어스와 로브터 윌슨이 발견한 우주배경복사. 아주 뜨겁고 밀도가 높았던 초기 우주에서 방출된 빛이 우주가 팽창함에 따라 식으며 현재 미세한 전자기 복사로 관측됩니다. 우주 전역에 균일하게 퍼져 있고 초기 우주 상태의 밀도요동을 볼 수 있습니다.
• 허블의 법칙(우주 팽창) : 1929년, 에드윈 허블은 우주가 팽창하고 있다는 사실을 알게 됩니다. 멀리 있는 은하들이 우리로부터 빠른 속도로 멀어지고 있다는 것인데요. 더 먼 은하일수록 더 빠르게 멀어지고 있었는데, 이는 적색편이 현상으로 관측됐습니다. 적색편이란 은하에서 오는 빛의 파장이 늘어나 적색으로 이동하는 현상으로 은하가 멀어지고 있음을 말합니다. 팽창하는 우주의 시간을 거꾸로 돌리면 결국 하나의 점에서 시작되었음을 암시합니다.
• 우주 원소의 비율 : 빅뱅이론은 초기 우주에서 수소와 헬륨, 그리고 리튬과 같이 가벼운 원소가 형성되었음을 예측합니다. 이 과정에서 수소와 헬륨의 비율이 각각 75%, 25%로 계산되었고 현재 관측된 우주의 원소 비율과 일치합니다.

 

2. 다중 우주론(Multiverse Theory)

우리가 살고 있는 우주 외에도 다른 우주들이 여러 개 존재한다는 이론입니다. 여러 가지 종류의 다중우주가 서로 다른 물리 법칙과 차원을 가지고 거대한 우주 집합체를 형성한다는 가설인데요. 물리학과 철학을 넘나들며 수많은 SF 작품에서 다루었던 소재이지만, 아직까지 과학적인 증거는 나오지 않았습니다. 우리는 관측 가능한 우주를 볼 수 있기 때문에 실험적인 검증이 불가능합니다. 다중우주론의 주요 모델은 다음과 같습니다.

• 양자 다중 우주 : 양자역학의 해석 중 일부인 '다세계 해석'에서 도출된 다중우주입니다. 평행우주론을 의미하기도 합니다. 양자 사건이 발생할 때마다 모든 가능한 결과가 각각 독립적인 우주로 형성된다는 개념을 갖고 있습니다. 예를 들어 슈뢰딩거의 고양이 실험에서 살아 있는 고양이와 죽어 있는 고양이의 우주가 각각 존재한다고 해석합니다.
• 인플레이션 다중 우주 : 인플레이션 이론에서 파생된 이론으로 인플레이션은 무한히 지속되고, 일부 종료된 인플레이션에서 빅뱅이 일어나는 과정이 무수히 반복됨을 의미합니다. 앨런 구스(Alan Guth)의 우주 인플레이션 이론을 확장한 형태로 초기 조건에 따라 수많은 버블 우주가 형성되었다는 주장에 기반을 둡니다. 각각의 우주는 물리적 법칙이나 상수가 다를 수 있습니다. 스티븐 호킹의 마지막 연구 논문 주제이기도 합니다.
• 시뮬레이션 다중 우주 : 우리 우주가 하나의 컴퓨터 가상현실 속 우주라는 가설입니다. 고도로 발달한 어느 문명이 우주 환경을 시뮬레이션으로 만들 수 있는 수준에 다다르면, 우리의 존재가 시뮬레이션의 일부일 확률이 있다는 주장입니다. 2003년, 철학자 닉 보스트롬(Nick Bostrom)이 발표한 '시뮬레이션 가설'을 기반으로 발전했습니다.

 

3. 홀로그램 우주론(Holographic Space)

미국 물리학자 데이비드 봄이 처음 주장한 가설로 양자역학에 대한 의문점에서 출발한 이론입니다. 홀로그램은 평면인 2차원 공간 위에 3차원 입체로 보일 수 있게 합니다. 우주 전체가 2차원 표면에 저장된 정보로부터 3차원으로 보이는 구조가 형성된 것이라는 주장입니다. 과학계에서 중요한 연구 주제로, 블랙홀의 물리학과 양자 중력 이론에서 주요하게 다룹니다. 블랙홀의 정보가 사라지지 않는다는 '정보 보존 법칙'과 양립합니다. 또한 우주의 본질에 대한 철학적 고찰을 일으키게 합니다. 매우 흥미로운 가설이지만 현재까지 증명하기 어렵고 우주의 본질을 설명하기에 유일한 이론으로 받아들여지지 않습니다.

 

 

4. 정상 우주론

'빅뱅이론'을 받아들이지 않은 과학자들이 제기한 우주 이론으로, 처음 제안된 것은 1948년 프레드 호일(Fred Hoyle), 헤르만 본디(Hermann Bondi)에 의해서입니다. 우주가 확장할 수록 확장된 진공 공간을 메꾸기 위해 사람이 관측할 수 없도록 극도로 적은 수소원자가 생성된다는 가설입니다. 연속 창조설로 불리기도 합니다. 우주가 팽창하더라도 시간에 따라 전체적 모습은 변하지 않는다는 개념을 바탕으로 하고 있습니다. 우주란 영원히 존재하며, 공간과 시간 어디에서나 동일하다고 주장합니다. 즉 우주가 과거에나 지금에나 같은 상태였으며 미래에도 변하지 않을 거라는 주장이죠. 하지만 빅뱅 이론을 뒷받침하는 여러 관측적 증거가 발견되며 점점 힘을 잃었습니다. 현재는 더 이상 과학계에서 주요 이론으로 간주되지 않습니다. 정상 우주론을 지지했던 초기의 증거는 다음과 같습니다.

• 우주 팽창 관측 : 처음 에드윈 허블에 의해 우주 팽창의 사실을 발견했을 때, 정상 우주론은 이 팽창을 설명할 수 있었습니다. 때문에 빅뱅 이론과 대립할 수 있는 대안으로 받아들여졌습니다.
• 우주론적 원리 : 우주가 언제 어디서나 균질하고 등방적이라는 개념을 수용한 정상 우주론은 당시의 관측 데이터와 일치했습니다.

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우주 탄생을 연구하는 것은 우리의 미래를 연구하는 것입니다.

지금까지 우주 탄생에 관한 여러 가설을 알려드렸는데요. 우주 탄생에 대해 우리 인류는 과학적, 철학적 그리고 창의적인 접근을 시도하며 연구하고 있습니다. 우주 탄생의 비밀을 아는 것은 우리 존재에 대한 통찰이기도 합니다. 빅뱅이론부터 정상 우주론까지, 오랜 시간 변화해온 우주의 탄생에 대한 주장은 끊임없는 탐구를 통해 점점 더 구체화되고 있습니다. 우주의 기원은 우리의 미래를 탐구하는 것이기도 합니다. 우리는 우주 탄생에 대한 답을 찾을 수 있을까요? 오늘 글은 여기서 마치겠습니다. 읽어주셔서 감사합니다.